EP1509324B1 - Dispositif de depot localise et controle activement d au moi ns une solution biologique. - Google Patents

Dispositif de depot localise et controle activement d au moi ns une solution biologique. Download PDF

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EP1509324B1
EP1509324B1 EP03752817A EP03752817A EP1509324B1 EP 1509324 B1 EP1509324 B1 EP 1509324B1 EP 03752817 A EP03752817 A EP 03752817A EP 03752817 A EP03752817 A EP 03752817A EP 1509324 B1 EP1509324 B1 EP 1509324B1
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EP
European Patent Office
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lever
deposition
depositing
levers
reservoir
Prior art date
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EP03752817A
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EP1509324A1 (fr
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Christian Bergaud
Matthieu Guirardel
Pascal Belaubre
Benoit Belier
Jean-Bernard Pourciel
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Centre National de la Recherche Scientifique CNRS
Original Assignee
Centre National de la Recherche Scientifique CNRS
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Publication date
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    • B01L3/02—Burettes; Pipettes
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    • B01L3/0244—Drop counters; Drop formers using pins
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    • Y10T29/49996—Successive distinct removal operations

Definitions

  • the present invention relates to a device for depositing localized and actively controlled at least one biological solution in the form of microdrops.
  • dip-pen lithography is a technique derived from atomic force microscopy and which allows patterns to be formed on a surface using a molecular transport diffusion effect at the water meniscus formed between the tip of an atomic force microscope and the surface on which the deposit is made.
  • the operating principle is based on the difference in hydrophilic or wettability properties of the tip and the surface.
  • the surface must indeed be more hydrophilic than the tip to generate a molecular diffusion from the tip to the surface.
  • the resolution obtained may be less than one micron and it is also possible to envisage the deposition of different biological molecules, but this involves making a change of the tip (which has previously been immersed in the solution to be deposited) for each solution.
  • micro-machined silicon structures with microfabricated channels are micro-machined silicon structures with microfabricated channels, and their use is in every respect comparable to that of an inkjet system.
  • These "closed” structures, tube-shaped, are very difficult to clean, which is an obstacle to the use of the same device for depositing droplets of different liquids.
  • Patent EP0725267 discloses a micropipette electrically controlled for volumes in a range of a few hundred picoliters to a few microliters, to pipette any type of liquid specimen with or without microparticles.
  • electrospray electrospray
  • electrospray is to apply an electric field high enough to ionize and atomize the liquid to be deposited.
  • the droplets thus produced have submicron dimensions and evaporate before waiting for the deposition surface; in this way, thin films are produced.
  • the electrospray devices consist of micropipettes containing a needle-shaped electrode, so they can not be effectively washed and must be replaced each time the liquid is changed.
  • the present invention makes it possible to achieve these objectives by using, as a deposition system, one or more silicon micro-levers comprising at least one electrode making it possible to manipulate the liquid to be deposited by electrostatic effects.
  • An object of the invention is a deposition device allowing a precise and actively controlled local deposition of microdrops, in particular of diameter less than 10 microns, and more particularly of diameter of the order of 1 micron.
  • Another object of the invention is a deposition device allowing a precise and actively controlled local deposition of microdroplets on microstructures such as bridges, beams or membranes.
  • Another object of the invention is a deposition device for depositing different biological molecules.
  • Another object of the invention is a deposition device for depositing microdrops without contact with the structure or the microstructure on which the deposition takes place.
  • Another object of the invention is a deposition device for depositing microdrops by contact with a structure or a microstructure, under conditions that maintain the integrity of the structure or microstructure.
  • At least one of the above-mentioned objectives is achieved by means of a biological solution deposition device comprising at least one silicon flat lever having a central body and a tip-forming end region in which a slot or a slot is formed. groove, characterized in that it has at least one metal track formed on a face of the central body and at least partially along a said slot or groove.
  • Said slot or the groove advantageously extends from said tip to a reservoir formed in the central body.
  • said one or more metal tracks at least partially along said tank.
  • the reservoir is a non-emergent cavity formed from a main face of the central body.
  • the reservoir is constituted by a through opening formed between two opposite major faces of the central body.
  • a said slot or groove and / or a said tank and / or a said metal track is optionally coated with SiO 2 .
  • the lever advantageously has at least one hydrophobic region made of silicon or silicon oxide coated with hydrophobic silane.
  • the device has at least one implanted piezoresistance.
  • each lever has at least one integrated actuator for controlling its flexion.
  • said actuator comprises a piezoelectric layer deposited on a surface of said lever.
  • said actuator comprises a metal bimetal and a heating resistor deposited on a surface of said lever.
  • the method may be characterized in that c comprises a chemical etching or ion etching up to the buried insulating layer to define, in addition to the outline of the levers, a slot and / or an opening opening constituting a reservoir for at least one lever.
  • the method may be characterized in that c comprises a first chemical etching or ion etching of the substrate which is stopped before the buried insulating layer to define at least one groove and / or one non-emerging cavity forming a reservoir, for at least one lever and a second chemical etching or ion etching of the substrate, to the buried insulating layer to define at least the outline of the levers.
  • the first etching or ion etching can be carried out so that the outline of the levers is defined on part of their thickness.
  • a step of implanting at least one piezoresistance is provided.
  • the method also comprises a step of depositing an integrated actuator.
  • said deposition step of an integrated actuator comprises sputtering deposition of a piezoelectric film of PbZrO 3 / PbTiO 3 .
  • Said piezoelectric film is advantageously isolated from the liquid by a layer of a material chosen between: silicon oxide, PTFE called "Teflon", a polymer.
  • said deposition step of an integrated actuator comprises low pressure chemical deposition (LPCVD) of a layer of Si 3 N 4 followed by deposition by evaporation of a layer of Cr and d a layer of Au to achieve a heating resistor, thereby forming a metal bimetal.
  • LPCVD low pressure chemical deposition
  • the invention also relates to a method for sampling at least one biological solution using a device as defined above, characterized in that the sampling and the retention of said biological solution are assisted by an electric field effect by applying a difference potential between said metal tracks.
  • a measurement of the variation of the electrical resistance of said piezoresistance is carried out after sampling to determine the amount of biological solution removed.
  • the invention also relates to a method for depositing at least one biological solution using a device as defined above, characterized in that the deposition of said biological solution is assisted by an electric field effect by applying a potential difference between said metal tracks, which are maintained at the same potential, and a deposition surface having at least one conductive layer.
  • a measurement of the variation of the electrical resistance of said piezoresistance is performed after the deposition to determine the amount of deposited biological solution.
  • the invention also relates to a method of deposition of at least one biological solution using a row of devices as defined above, each comprising a piezoresistance and an integrated actuator, characterized in that the contact force of each lever with the deposition surface is determined by measuring the variation of the electrical resistance of each piezoresistor implanted and actively controlled by each integrated actuator.
  • the levers are preferably of rectangular shape (central body 1) terminated by a triangular end 2 forming a point 3.
  • a tank 6 or 7 of rectangular shape can be inserted in upper termination of the channel 4 or 5.
  • the channel may be a groove 4 formed on a portion of the thickness of the lever from a surface 11 or a through slot 5 which extends between the faces 11 and 12.
  • the channel may communicate with a non-emerging reservoir constituted by a cavity 6 formed from a main face 11 of the central body 1 of the lever, or with a through tank 7 constituted by an opening 7 formed between the main faces 11 and 12 of the central body 1.
  • FIGS. 1A and 1B illustrate the case of a slot 5, FIGS. 2A and 2B, a slot 5 and an outlet tank 7, FIGS. 3A and 3B illustrate the case of a groove 4 and FIG. a non-emerging reservoir 6, and finally FIGS. 4A and 4B illustrate the case of a slot 5 and a non-opening reservoir 6.
  • the case (not illustrated) of a lever having a groove 4 and a through tank 6 can also be implemented.
  • the metal tracks 8 and / or 9 run along the tank 6 or 7 (FIGS. 2A, 2B, 3A, 3B, 4A and 4B) and / or the groove 4 (FIGS. 3A, 3B) and / or the slot 5 (FIGS. 1B, 2A, 2B, 3A and 3B).
  • a single metal track 8 or 9 may be present.
  • an actuator constituted by a piezoelectric layer 38 (FIG. 6A) or a metal bimetallic strip comprising a layer of Si 3 N 4 33, a layer of Chrome 35 and a layer of gold 37 (FIG. 6B).
  • Both the piezoresistor 31 and the actuator 33-35-37 or 38 are isolated from the liquid by a passivation layer 32.
  • the process of manufacturing levers for the deposit is based on the techniques of collective fabrication of microelectronics. A series of technological steps is performed on a silicon on insulator substrate (SOI: silicon on insulator).
  • SOI silicon on insulator
  • the first part of the process comprises a succession of elaborations of thin layers (FIGS. 8A and 8C), and the second part consists of a series of micro-machining operations in order to define the levers.
  • the first step is a silicon oxide 22 deposition by LPCVD (low pressure chemical vapor deposition) on the front face 21 of a silicon substrate 20 having a buried oxide layer 30.
  • the oxide layer 22 serves as an insulator between the substrate and the subsequent metallizations.
  • under-stripping makes it possible to make the metal tracks 25, namely a photolithography followed by a metal deposition 25 by evaporation and then a removal of the resin. (which was used to mask the metallized regions) in acetone and with ultrasound application, and finally an annealing of the metallization.
  • the last step of the thin-film part is a second localized deposition of silicon oxide (FIG. 8C) by LPCVD to isolate the metallizations of the liquid during the use of the levers, followed by photolithography to access the contact pads. metallizations by chemical etching of the silicon oxide.
  • a front-face photolithography in the silicon layer 27 defines the contours of the levers.
  • a first plasma etching reactive ion etching or RIE
  • RIE reactive ion etching
  • the possible implantation of at least one piezoresistance can be performed before the step 8A.
  • a thin oxide is first produced before the implantation of dopants in silicon. The thickness of this oxide, the dose and the energy of the doping must be chosen to obtain a maximum sensitivity of the piezoresistance.
  • the oxide (FIG. 8A) is deposited and then opened by etching at the contacts of the piezoresistance and a metallic deposit is made (FIG. 8B) by stripping, which takes into account the tracks serving as electrodes and the tracks for the piezoresistances. The manufacturing process then continues as before.
  • One or more piezoresistors implanted on at least some of the levers make it possible to have one or more strain gauges whose variation of resistance makes it possible to detect in particular the contact of the lever with a surface. This allows in particular to ensure an adjustment of the coplanarity of the levers during a collective deposit.
  • the actuator may consist of a metal bimetal.
  • Figures 8H-8L show the different steps of making such a device.
  • a layer 33 of Si 3 N 4 is deposited by a low pressure chemical vapor deposition (LPCVD) process (FIG. 8H); then a layer 35 of chromium ( Figure 81) and a layer 37 of gold to form the heating resistor ( Figure 8L), thus forming a bimetallic strip, are deposited by thermal evaporation.
  • LPCVD low pressure chemical vapor deposition
  • Figure 81 chromium
  • Figure 8L a layer 37 of gold to form the heating resistor
  • a doped polycrystalline silicon layer can also be used as a heating resistor.
  • lithography step to define the contours of these elements, the deposition of an insulating oxide layer and realization of the electrical contacts of the heating resistor.
  • the metal tracks constitute the heart of the invention, because they make it possible to control the rise of the liquid in the slot or groove during the filling of the device, and its descent during the deposition by field effect.
  • a first technique called dielectrophoresis and proposed by Jones et al. (See document cited above), consists of using an alternating electric field to confine a polarizable liquid (water for example) in areas of strong electric field (the use of a continuous field is possible, but can induce troublesome effects, such as electrolysis of the liquid or the damage of biomolecules).
  • This field being created between two isolated electrodes and coplanar, the liquid literally "plate” on the electrodes.
  • a liquid can be "conductive" or "dielectric” depending on the frequency of the electric field applied to it.
  • the electrodes may not be coated with insulation.
  • electrowetting makes it possible to modify the wettability properties of a surface (contact angle between the surface and the liquid) by applying a potential difference between said surface and the liquid. , and thus control the effects of capillarity. If a potential difference of a few volts at 10 V is applied between the electrodes and a conductive surface, the field effect may induce a contactless deposit. A higher potential difference (beyond the kV) can induce electrospray.
  • the silicon oxide is thus used as hydrophilic compound and the monocrystalline silicon is used as hydrophobic material.
  • Such a treatment consists for example of a hydrophobic silane coupling, for example a silane having a methyl or fluorinated group as a terminus, which is deposited on silicon oxide.
  • This compound is deposited on silicon oxide in the form of self-assembled monolayers and has the advantage of being highly hydrophobic.
  • the techniques for creating residual charges in the oxide by implantation or irradiation technique are conceivable in order to increase the wettability or hydrophilicity properties of the passivation layer (coating layer). cold oxide for example).
  • the surface of the device is rendered strongly hydrophobic and the charging of the liquid is effected by the dielectrophoresis and electrowetting effects mentioned above. In this way, the cleaning of the device is facilitated and the deposition of several different liquids without contamination is made possible.
  • a three-axis micro-robot (X, Y, Z) makes it possible to use the microleviers according to the invention for the filling and depositing phases.
  • the micro-robot makes it possible to position the microstructures very precisely with respect to a surface intended to receive the deposit.
  • the deposit is then made by direct contact with the surface or by contactless field effect.
  • electrospray deposition technique electrospray
  • electrospray is also conceivable insofar as the applied field is large enough to generate nebulization and atomization of the biomolecules.
  • the robot is for example a three-axis robot X, Y, and Z available commercially, with a pitch of 50 nanometers, widely compatible with a diameter of deposits to achieve of the order of 10 to 20 microns.
  • This precision allows a fine control of the lever-deposit surface contact, thus giving a better homogeneity of the spots produced.
  • a further improvement of the contact control is obtained by the use of an actuator, for example piezoelectric or thermomechanical, integrated in the microstructure.
  • the integrated actuators can individually control the contact of each device with the surface.
  • the integrated piezoresistors make it possible to control the robot and said actuators.
  • the displacement along each axis is provided by a stepping motor.
  • Each motor powered by alternating current, is associated with a linear position sensor allowing a position control in closed loop.
  • the angle of incidence that is to say the angle of contact between the lever and the surface on which the deposit is made, has a significant influence on the size of the drops deposited. The most satisfactory results are obtained with an angle close to 60 °. It should be noted that, during the contact phase, this angle varies from 60 ° to 45 ° for a descent of the lever after contact of 50 microns (for the value of the descent distance of the lever after contact will be adopted for the following the term "depth of contact"). The greater or lesser bearing force thus varies the volume of liquid deposited.
  • the angle is made variable by a moving part fixed on the Z axis and rotated relative to the Y axis. It is possible to control this angle directly from microcontrollers connected to the control system.
  • the deposition can be carried out as follows, as illustrated by FIGS. 9A-9D.
  • the first step (FIG. 9A) consists in filling the channel and the reservoir (when it exists) machined in the axis of the levers.
  • the control software makes it possible to position the levers above the reservoir containing the liquid to be deposited and to immerse them in this liquid.
  • An electric field is then created by applying a voltage between the electrodes machined on the levers and the liquid; the levers are then moved outside the liquid and the robot positions them above the location of the first deposit to be made.
  • the volume deposited depends on the depth, the angle and the contact time.
  • the field effect can also be used to control the volume of the deposit: a decrease in the electric field between the conductive tracks increases the amount of deposited liquid, and vice versa. If a row of levers is used, the deposit is individually controlled for each lever by the integrated actuators, which act on the characteristics of the contact, and the electrodes.
  • a potential difference of some volts at 10 V is applied between the metal tracks and the deposition surface, which must be conductive, or comprise a conductive coating; the field effect (dielectrophoresis) thus induced sucks the liquid.
  • a higher potential difference can induce electrospray.

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Description

  • La présente invention a pour objet un dispositif de dépôt localisé et contrôlé activement d'au moins une solution biologique sous forme de micro-gouttes.
  • Dans l'industrie pharmaceutique, les investissements liés à la recherche pour le développement de nouveaux médicaments occupent une place considérable dans le budget des entreprises.
  • De nouvelles méthodes d'analyse sont nécessaires pour réduire le coût de ces recherches.
  • L'arrivée des micro-puces dans le biomédical a révolutionné les domaines du développement de médicament et de la bio-analyse.
  • Les avantages de ces micro-puces sont les suivants :
    • elles permettent de développer de nouvelles méthodes plus sensibles de détection,
    • elles nécessitent des volumes plus faibles de réactifs d'où un moindre coût,
    • elles permettent aux processus analytiques d'être plus rapides compte tenu de leurs faibles dimensions,
    • elles permettent de procéder à des études de criblage ou de diagnostic du fait du grand nombre de solutions différentes présentes sur une même surface.
  • Cependant, les outils qui sont actuellement opérationnels pour distribuer de faibles volumes de matière biologique en solution, permettent de déposer sur des lames de verre ou sur des membranes des gouttes de l'ordre de la centaine de microns de diamètre (ce qui correspond à un volume de goutte de l'ordre du nanolitre). Ces systèmes reposent :
    • soit dans un premier cas sur un dispositif actif piézoélectrique réalisant l'aspiration et l'éjection des produits en solution (système de dépôt sans contact) ;
    • soit dans un deuxième cas sur un mécanisme passif constitué d'aiguilles fendues, en métal (acier inoxydable, tungstène...), l'aspiration du liquide se faisant dans ce deuxième cas par capillarité, et son dépôt étant obtenu par contact de l'extrémité de l'aiguille sur une lame de verre (système de dépôt par contact). Signalons également le système « pin and ring » (aiguille et anneau) dont le principe de fonctionnement est comparable à celui utilisé avec le mécanisme constitué d'aiguilles fendues, l'anneau faisant office de réservoir de liquide dans ce cas.
  • On connaît d'autres techniques de dépôt qui ont fait l'objet d'études en laboratoire et qui permettent d'atteindre des volumes inférieurs à ceux obtenus avec des outils opérationnels mentionnés ci-dessus.
  • Une de ces techniques est la lithographie à la plume ("Dip-pen lithography") qui est une technique dérivée de la microscopie à force atomique et qui permet de former des motifs sur une surface en utilisant un effet de diffusion par transport moléculaire au niveau du ménisque d'eau qui se forme entre la pointe d'un microscope à force atomique et la surface sur laquelle est effectué le dépôt. Le principe de fonctionnement repose sur la différence des propriétés d'hydrophilie ou de mouillabilité de la pointe et de la surface. La surface doit être en effet plus hydrophile que la pointe pour générer une diffusion moléculaire de la pointe vers la surface. La résolution obtenue peut être inférieure au micron et il est également possible d'envisager le dépôt de molécules biologiques différentes mais cela suppose d'effectuer un changement de la pointe (qui aura été au préalable immergée dans la solution à déposer) pour chaque solution. Cette technique de dépôt est donc extrêmement coûteuse en temps si on désire effectuer plusieurs dizaines de dépôts différents. D'autre part, le changement de la pointe du microscope ne permet pas de conserver la précision d'alignement entre deux changements. Enfin, cette approche ne peut être mise en oeuvre que dans des conditions d'humidité élevée pour qu'il y ait formation du ménisque d'eau.
  • Cette technique est décrite en particulier dans les articles suivants :
    • « Dip-pen Nanolithography » R. D. Piner, J. Zhu, F. Xu, S. Hong, C. A. Mirkin, Science, vol. 283, Pages 661 - 663, 29 Janvier 1999.
    • "Multiple Ink Nanolithography : toward a Multiple-Pen Nano-Plotter", S. Hong, J. Zhu, C. A. Mirkin, Science, vol. 286, Pages 523 - 525, 15 Octobre 1999.
    • « Surface organization and nanopatterning of collagen by dip-pen nanolithographie », Wilson, D L. ; Martin, R; Hong, S; Cronin-Golomb, M; Mirkin, C A; Kaplan, D L, Proceedings of the National Academy of Sciences of the United States of America, Volume 98, Issue 24, 20 Novembre, 2001, Pages 13660 - 13664.
    • "Dip-Pen nanolithography on semiconductor surfaces", Ivanisevic, A; Mirkin, C A. Journal of the American Chemical Society, Volume 123, Issue 32, 15 Août, 2001, Pages 7887 - 7889.
  • D'autres microsystèmes ont été également proposés pour effectuer des dépôts pour la fabrication de biopuces. Il s'agit en général de structures microfluidiques, par exemple celui qui est décrit dans l'article suivant :
    • « Micromachined needle arrays for drug delivery or fluid extraction », IEEE Engineering in Medecine and Biology Magazine : the Quarterly Magazine of the Engineering in Medicine & Biology Society, Volume 18, Issue 6, Novembre - Decembre 1999, Pages 53 - 58 Brazzle, J; Papautsky, 1; Frazier, A B.
  • Il s'agit de structures en silicium micro-usinées présentant des canaux microfabriqués, et leur utilisation est en tout point comparable à celle d'un système à jet d'encre. Ces structures « fermées », en forme de tube, sont très difficiles à nettoyer, ce qui constitue un obstacle à l'utilisation d'un même dispositif pour déposer des gouttelettes de liquides différentes.
  • La demande de brevet internationale WO 02/00348 illustre un système de dépôt qui permet de déposer des microgouttes d'un volume compris entre 10 picolitres et 200 nanolitres. Un tel système est constitué par au moins un levier en silice ou en quartz équipé d'un canal capillaire et d'un réservoir. Le chargement et le dépôt du liquide se font de manière purement passive, par effet de la capillarité et de la différence de mouillabilité entre le dispositif et la surface de dépôt. Le brevet EP0725267 décrit une micropipette à commande électrique pour des volumes dans une plage de quelques centaines de picolitres à quelques microlitres, pour pipetter n'importe quel type d'éprouvette liquide comprenant ou non des micro-particules.
  • Des micropipettes permettant un dépôt sans contact, par effet de champ sont décrites en particulier dans les documents suivants :
    • « Electrospray deposition as a method for mass fabrication of mono and multicomponent microarrays of biological and biologically active substances », Morozov, V N ; Morozova T. Ya., Analytical Chemistry, Volume 71, Issue 15, 1 Août, 1999, Pages 3110 - 3117.
    • "Atomic force microscopy of structures produced by electrospraying polymer solutions", Victor N. Morozov, Tamara Ya Morozova and Neville R. Kallenbach, International Journal of Mass Spectrometry, Volume 178, Issue 3, 9 Novembre 1998, Pages 143 - 159.
  • Ces dispositifs exploitent l'effet d'électronébulisation (« electrospray ») pour effectuer un dépôt contrôlé par un champ électrique réglable de très petites quantités de molécules organiques. Cependant, l'électronébulisation consiste à appliquer un champ électrique suffisamment élevé pour ioniser et atomiser le liquide à déposer. Les gouttelettes ainsi produites ont des dimensions sub-micrométriques et s'évaporent avant d'attendre la surface de dépôt ; de cette façon, des films fins sont produits. Il s'agit donc d'un problème différent de celui visé par la présente invention, c'est à dire le dépôt de gouttelettes d'un volume de l'ordre du picolitre ou du femtolitre. De plus, les dispositifs pour électronébulisation sont constitués de micropipettes contenant un électrode en forme d'aiguille, ils ne peuvent donc pas être lavés efficacement et doivent être remplacé à chaque fois qu'on change de liquide.
  • Des travaux concernant le mouillage de surface sous l'effet d'un champ électrique et le déplacement d'un liquide par contrôle actif de la mouillabilité d'une surface ont été publiés dans les articles suivants :
    • « Electrowetting and electrowetting-on-dielectric for microscale liquid handling », J. Lee, H. Moon, J. Fowler, T. Schoellhammer, C.J. Kim, Sensors and Actuators, A 95, Pages 259 - 268, 2002.
    • "Dielectrophoretic liquid actuation and nanodroplet formation", T.B. Jones, M. Gunji, M. Washizu, M. J. Feldman, Journal of Applied Physics, Vol 89, N° 2, Pages 1441 - 1448, 2001.
  • Ces articles décrivent les principes physiques de l'électromouillage et de la diélectrophorèse, ainsi que leur application à la manipulation de gouttelettes de liquides tels que l'eau. Bien que ces effets soient connus depuis plusieurs décennies, ils n'ont jamais été appliqués au dépôt de gouttelettes de liquides.
  • En conclusion, aucun système de dépôt n'a encore été proposé qui permette de déposer de manière précise (par rapport à une référence) et contrôlée activement des microgouttes de diamètre inférieur à 10 microns, c'est à dire de volume inférieur au picolitre (pl).
  • A fortiori, aucun système de dépôt connu ne permet de déposer de manière précise et contrôlée activement de telles gouttes sur des microstructures de type pont, poutre ou membrane.
  • La présente invention permet d'atteindre ces objectifs par l'utilisation, comme système de dépôt, d'une ou plusieurs micro-leviers en silicium comportant au moins un électrode permettant de manipuler le liquide à déposer par des effets électrostatiques.
  • Un objet de l'invention est un dispositif de dépôt permettant un dépôt localisé précis et contrôlée activement de microgouttes, en particulier de diamètre inférieur à 10 microns, et plus particulièrement de diamètre de l'ordre d'1 micron.
  • Un autre objet de l'invention est un dispositif de dépôt permettant un dépôt localisé précis et contrôlée activement de microgouttes sur des microstructures telles que des ponts, des poutres ou des membranes.
  • Un autre objet de l'invention est un dispositif de dépôt permettant de déposer des molécules biologiques différentes.
  • Un autre objet de l'invention est un dispositif de dépôt permettant de déposer des microgouttes sans contact avec la structure ou la microstructure sur laquelle s'effectue le dépôt.
  • Un autre objet de l'invention est un dispositif de dépôt permettant de déposer des microgouttes par contact avec une structure ou une microstructure, dans des conditions qui conservent l'intégrité de la structure ou de la microstructure.
  • Au moins un des objectifs précités est atteint à l'aide d'un dispositif de dépôt de solutions biologiques comportant au moins un levier plan en silicium présentant un corps central et une région d'extrémité formant une pointe dans laquelle est ménagée une fente ou une rainure, caractérisé en ce qu'il présente au moins une piste métallique ménagée sur une face du corps central et longeant au moins partiellement une dite fente ou rainure.
  • Ladite fente ou la rainure s'étend avantageusement depuis ladite pointe jusqu'à un réservoir ménagé dans le corps central.
  • Avantageusement, ladite ou lesdites pistes métalliques longent au moins partiellement ledit réservoir.
  • Selon un mode de réalisation du dispositif, le réservoir est une cavité non débouchante ménagée à partir d'une face principale du corps central.
  • Selon un autre mode de réalisation, le réservoir est constitué par une ouverture débouchante ménagée entre deux faces principales opposées du corps central.
  • Une dite fente ou rainure et/ou un dit réservoir et/ou une dite piste métallique est éventuellement revêtu de SiO2.
  • Le levier présente avantageusement au moins une région hydrophobe en silicium ou bien en oxyde de silicium revêtu de silane hydrophobe.
  • Avantageusement, le dispositif présente au moins une piézorésistance implantée.
  • Avantageusement le, ou chaque, levier présente au moins un actionneur intégré permettant de contrôler sa flexion.
  • Selon un mode préféré de réalisation, ledit actionneur comporte une couche piézoélectrique déposée sur une surface dudit levier.
  • Selon un autre mode préféré de réalisation, ledit actionneur comporte une bilame métallique et une résistance de chauffage déposée sur une surface dudit levier.
  • L'invention concerne également un procédé de fabrication du dispositif tel que défini ci-dessus, caractérisé en ce qu'il met en oeuvre :
    • a) au moins un dépôt d'oxyde de silicium sur une face avant d'un substrat silicium sur isolant présentant une couche isolante enterrée,
    • b) la réalisation pour chaque levier d'au moins une piste métallique.
    • c) au moins une attaque chimique ou gravure ionique par la face avant du substrat silicium pour définir le contour des leviers, et au moins une fente ou rainure, le contour des leviers étant défini par attaque chimique ou gravure ionique jusqu'à la couche isolante enterrée,
    • d) une attaque chimique ou gravure ionique par la face arrière du substrat pour enlever y compris la couche isolante enterrée et libérer au moins un levier.
  • Le procédé peut être caractérisé en ce que b comporte également :
    • b1) un deuxième dépôt d'oxyde sur la face avant pour isoler au moins une piste métallique.
  • Le procédé peut être caractérisé en ce que c comporte une attaque chimique ou gravure ionique jusqu'à la couche isolante enterrée pour définir, outre le contour des leviers, une fente et/ou une ouverture débouchante constituant un réservoir pour au moins un levier.
  • Le procédé peut être caractérisé en ce que c comporte une première attaque chimique ou gravure ionique du substrat qui est arrêtée avant la couche isolante enterrée pour définir au moins une rainure et/ou une cavité non débouchante formant un réservoir, pour au moins un levier et une deuxième attaque chimique ou gravure ionique du substrat, jusqu'à la couche isolante enterrée pour définir au moins le contour des leviers.
  • La première attaque chimique ou gravure ionique peut être effectuée de telle sorte que le contour des leviers soit défini sur une partie de leur épaisseur.
  • Avantageusement, avant a, il est prévu une étape d'implantation d'au moins une piézorésistance.
  • Avantageusement, le procédé comporte également une étape de dépôt d'un actionneur intégré.
  • Selon un mode préféré de réalisation, ladite étape de dépôt d'un actionneur intégré comporte le dépôt par pulvérisation cathodique d'un film piézoélectrique de PbZrO3/PbTiO3.
  • Ledit film piézoélectrique est avantageusement isolé du liquide par une couche en un matériau choisi entre : oxyde de silicium, PTFE dit « Téflon », un polymère.
  • Selon un autre mode préféré de réalisation, ladite étape de dépôt d'un actionneur intégré comporte le dépôt chimique à basse pression (LPCVD) d'une couche de Si3N4 suivie par un dépôt par évaporation d'une couche de Cr et d'une couche de Au pour réaliser une résistance de chauffage, formant ainsi une bilame métallique.
  • L'invention concerne également un procédé de prélèvement d'au moins une solution biologique utilisant un dispositif tel que défini ci-dessus, caractérisé en ce que le prélèvement et la rétention de ladite solution biologique sont assistés par effet de champ électrique en appliquant une différence de potentiel entre les dites pistes métalliques.
  • Dans le cas où un dispositif comportant une piézorésistance est utilisé, avantageusement une mesure de la variation de la résistance électrique de ladite piézorésistance est effectuée après le prélèvement pour déterminer la quantité de solution biologique prélevée.
  • L'invention concerne également un procédé de dépôt d'au moins une solution biologique utilisant un dispositif tel que défini ci-dessus, caractérisé en ce que le dépôt de ladite solution biologique est assisté par effet de champ électrique en appliquant une différence de potentiel entre lesdites pistes métalliques, qui sont maintenues au même potentiel, et une surface de dépôt comportant au moins une couche conductrice.
  • Dans le cas où un dispositif comportant une piézorésistance est utilisé, avantageusement une mesure de la variation de la résistance électrique de ladite piézorésistance est effectuée après le dépôt pour déterminer la quantité de solution biologique déposée.
  • L'invention concerne également un procédé de dépôt d'au moins une solution biologique utilisant une rangée de dispositifs tels que définis ci-dessus, comportant chacun une piézorésistance et un actionneur intégré, caractérisé en ce que la force de contact de chaque levier avec la surface de dépôt est déterminée par une mesure de la variation de la résistance électrique de chaque piézorésistance implantée et contrôlée activement par chaque actionneur intégré.
  • D'autres caractéristiques et avantages de l'invention apparaîtront mieux à la lecture de la description ci-après en liaison avec les dessins annexés dans lesquels :
    • les figures 1A et 1 B, 2A et 2B, 3A et 3B, et 4A et 4B illustrent des variantes de levier selon l'invention,
    • la figure 5 illustre une vue en coupe VI-VI d'une variante de levier présentant une piézorésistance intégrée ;
    • les figures 6A et 6B illustre une vue en coupe VI-VI de deux autres variantes de levier présentant un actionneur intégré ;
    • les figures 7A et 7B illustrent un dispositif constitué par un ensemble de leviers identiques formant une rangée.
    • les figures 8A à 8J illustrent un procédé de fabrication de leviers selon l'invention.
    • et les figures 9A-9D illustrent les différents procédés de chargement et de dépôt d'un liquide.
  • Comme on peut voir sur les figures 1A-4B les leviers sont de préférence de forme rectangulaire (corps central 1) terminée par une extrémité triangulaire 2 formant une pointe 3. Une rainure 4 ou une fente 5 au centre des leviers, débouchant à la pointe 3, forme un canal pour le liquide. Un réservoir 6 ou 7 de forme rectangulaire peut être inséré en terminaison supérieure du canal 4 ou 5. Deux pistes métalliques 8 et 9 longent le canal 4 ou 5 et/ou le réservoir 6 ou 7.
  • Les dimensions géométriques des leviers peuvent être les suivantes :
    • Longueur du levier : 1 à 2 mm
    • Largeur : 100 µ à 300 µ, par exemple 210 µm
    • Epaisseur : 1 à 20 µm (selon l'épaisseur du substrat SOI de départ)
    • Intervalle entre leviers : 450 µm (par exemple)
    • Longueur du canal :
      • 200 à 400 µ et par exemple 250 µm (lorsqu'un réservoir est dessiné)
      • 200 à 1000 p, et par exemple 550 µm (sans réservoir)
    • Largeur du canal : 2 à 20 µm, par exemple 5 µm
    • Longueur du réservoir : 200 à 600 µm, et par exemple 250 µm
    • Largeur du réservoir : 50 à 150 µm, et par exemple 80 µm
    • Largeur des pistes conductrices : 1 à 40 µm, et par exemple 20 µm.
  • Le canal peut être une rainure 4 ménagée sur une partie de l'épaisseur du levier partir d'une surface 11 ou une fente traversante 5 qui s'étend entre les faces 11 et 12. Le canal peut communiquer avec un réservoir non débouchant constitué par une cavité 6 ménagée à partir d'une face principale 11 du corps central 1 du levier, ou bien avec un réservoir débouchant 7 constitué par une ouverture 7 ménagée entre les faces principales 11 et 12 du corps central 1.
  • Les figures 1A et 1 B illustrent le cas d'une fente 5, les figures 2A et 2B, d'une fente 5 et d'un réservoir débouchant 7, les figures 3A et 3B illustrent le cas d'une rainure 4 et d'un réservoir non débouchant 6, et enfin les figures 4A et 4B illustrent le cas d'une fente 5 et d'un réservoir non débouchant 6. Le cas (non illustré) d'un levier présentant une rainure 4 et un réservoir débouchant 6 peut également être mis en oeuvre.
  • Les pistes métalliques 8 et/ou 9 longent le réservoir 6 ou 7 (figures 2A, 2B, 3A, 3B, 4A et 4B) et/ou la rainure 4 (figures 3A, 3B) et/ou la fente 5 (figures 1A, 1B, 2A, 2B, 3A et 3B). En variante non représentée, une seule piste métallique 8 ou 9 peut être présente.
  • Sur la face arrière des leviers peut être intégré un actionneur, constitué par une couche piézoélectrique 38 (figure 6A) ou une bilame métallique comportant une couche de Si3N4 33, une couche de Chrome 35 et une couche d'Or 37 (figure 6B).
  • Sur la face arrière des leviers peut également être intégré une piézorésistance 31 (figure 5).
  • Aussi bien la piézorésistance 31 que l'actionneur 33-35-37 ou 38 sont isolés du liquide par une couche de passivation 32.
  • Le dispositif selon l'invention permet en particulier:
    • a) Une réduction des volumes déposés : les dépôts réalisés avec le présent système ont par exemple un diamètre de l'ordre de 10 microns (picolitre), cette caractéristique étant de plus paramétrable; l'obtention de microgouttes de l'ordre d'1 µm de diamètre (femtolitre) est envisageable et rend le dispositif compatible avec les approches de type nanotechnologie qui voient le jour actuellement (dépôt de gouttes sur des nanocapteurs notamment) ; et
    • b) la possibilité de contrôler activement le chargement et le dépôt du liquide via les pistes métalliques 8 et/ou 9, utilisées comme électrodes pour exploiter les effets d'électromouillage, de diélectrophorèse et d'électronébulisation ; et/ou
    • c) la possibilité de déposer une grande variété de matériels biologiques organiques (ADN, protéines, cellules...) ou inorganiques (polymères, résines photosensibles...) et/ou
    • d) L'utilisation possible de volumes très faibles donc la réalisation de nombreux points avec le seul chargement de levier (plus d'une centaine de gouttes de 20 microns de diamètre réalisées en un chargement) ; et/ou
    • e) La mise en oeuvre de dépôts avec ou sans contact sans modification majeure du système (par exemple sans contact pour de l'ADN, des protéines ou des cellules, ou avec contact pour de l'ADN ou des cellules) ; et/ou
    • f) la possibilité d'intégrer une piézorésistance servant de jauge de contrainte au niveau des microleviers ce qui permet un contrôle actif de la force et du temps de contact, ainsi que de l'alignement d'une rangée de leviers par rapport à la surface de dépôt lors de la phase de dépôt par contact ; et/ou
    • g) la possibilité, grâce audit contrôle actif de la force de contact, d'effectuer des dépôts sur des microstructures, tels que des micro poutres ou des micromembranes ; et/ou
    • h) la mesure de la quantité de liquide prélevée et déposée par ladite piézorésistance, fonctionnant comme une balance très sensible ; et/ou
    • i) La possibilité d'intégrer au levier un actionneur constitué par une couche piézoélectrique ou une bilame métallique avec une résistance chauffante ; et
    • 1) Un coût fortement réduit, grâce à l'utilisation de techniques de fabrication collective issues de la microélectronique. ; à titre d'exemple, une aiguille en acier inoxydable du commerce coûte de 300 à 400 $, alors que les coûts de fabrication d'un microlevier en silicium selon l'invention laissent augurer de prix très nettement inférieurs.
  • Le dépôt sur des microstructures, mentionné au point (g), constitue un avantage important de l'invention, car des tels dispositifs peuvent être utilisés comme détecteurs intégrés de biomolécules. Voir, à ce propos, l'article :
    • « Translating Biomolecular Recognition into Nanomechanics », J. Fritz, M. K. Baller, H. P. Lang, H. ROthuizen, P. Vettiger, E. Meyer, H.-J. Guentherodt, Ch. Gerber, J. K. Gimzewski, Science, Volume 288, Pages 316-318 (2000)
    • ainsi que la demande de brevet français FR 2 823 998.
  • Concernant l'actionneur mentionné au point (i), il permet de mettre en contact avec la surface de dépôt une partie seulement des leviers constituant une rangée comme celle illustrée par la figure 7A. La figure 7B montre, par exemple, une rangée dans laquelle le premier levier est fléchi vers la surface de dépôt par l'action dudit actionneur intégré, le deuxième est fléchi dans la direction opposée à ladite surface pour éviter le contact et le troisième est laissé dans sa position de repos. Les flèches F1 et F2 indiquent la direction du déplacement de la pointe induit par l'actionneur intégré dans le cas du premier et du deuxième levier respectivement. L'actionnement de microleviers en silicium par des films piézoélectriques ou des bilames métalliques est connu de l'art antérieur, mais il est appliqué pour la première fois à un système de dépôt de microgouttes d'un liquide. Pour plus de précision, voir les articles
    • « Piezoelectric properties of PZT films for microcantilevers », E. Cattan, T. Haccart, G. Vélu, D. Rémiens, C. Bergaud, L. Nicu, Sensors and Actuators 74, Pages 60-64 (1999)
    • en ce qui concerne l'actionnement piézoélectrique et
    • « Micromachined arrayed dip-pen nanolithography probes for sub-100 nm direct chemistry patterning », D. Bullen, X. Wang, J. Zou, S. Hong, S.-W. Chung, K. Ryu, Z. Fan, C. Mirkin, C. Liu, IEEE The Sixteenth International Conference On Micro Electro Mechanical Systems, 19-23 Janvier 2003, Kyoto, Japon, Pages 4-7
    • pour l'actionnement thermomécanique (bilame).
  • Le procédé de fabrication de leviers pour le dépôt repose sur les techniques de fabrication collective de la microélectronique. Une série d'étapes technologiques est réalisée sur un substrat de silicium sur isolant (SOI : Silicon On Insulator).
  • La première partie du procédé comprend une succession d'élaborations de couches minces (figures 8A et 8C), et la deuxième partie consiste en une suite de micro-usinages afin de définir les leviers.
  • La première étape (figure 8A) est un dépôt d'oxyde 22 de silicium par LPCVD (dépôt chimique en phase vapeur à basse pression), sur la face avant 21 d'un substrat 20 en silicium présentant une couche d'oxyde enterrée 30. La couche d'oxyde 22 sert d'isolant entre le substrat et les métallisations suivantes.
  • Lors de l'étape de la figure 8B, un sous-décapage ("lift-off") permet de réaliser les pistes métalliques 25, à savoir une photolithographie suivie d'un dépôt métallique 25 par évaporation puis d'un retrait de la résine (qui a servi au masquage des régions métallisées) dans l'acétone et avec application d'ultrasons, et enfin un recuit de la métallisation.
  • La dernière étape de la partie couches minces est un deuxième dépôt localisé 26 d'oxyde de silicium (figure 8C) par LPCVD pour isoler les métallisations du liquide lors de l'utilisation des leviers, suivi d'une photolithographie pour accéder aux plots de contacts des métallisations par attaque chimique de l'oxyde de silicium.
  • Pour débuter le micro-usinage, une photolithographie face avant dans la couche de silicium 27 permet de définir les contours des leviers. Une première gravure plasma (gravure ionique réactive ou RIE) est alors réalisée pour l'oxyde de silicium puis une seconde gravure plasma est réalisée pour le silicium monocristallin (figure 8D).
  • Enfin, une dernière photolithographie à partir de la face arrière 28 de la plaquette, suivie d'une gravure ionique réactive profonde (DRIE) de la couche de silicium 29 sont réalisées pour libérer les leviers (figure 8E). La gravure plasma est stoppée par la couche d'arrêt 30 d'oxyde de silicium du SOI. Une gravure ionique réactive de cet oxyde 30 est finalement réalisée - toujours par la face arrière - pour terminer de libérer les structures.
  • Lors de la gravure des profils des leviers, plusieurs possibilités sont réalisables selon le profil désiré. Pour des leviers à canal débouchant (fente 5 traversant toute l'épaisseur du levier) avec ou sans réservoir, une seule étape suffit (comme représenté à la figure 8D) en arrêtant la gravure du silicium sur la couche d'oxyde du substrat sur oxyde SOI.
  • Cependant, pour la gravure de structures non débouchantes (rainure 4 ou cavité 6), deux photolithographies suivies de gravures doivent être réalisées consécutivement. La première, définissant le canal 4 et/ou le réservoir 6, doit être arrêtée avant d'arriver sur la couche d'oxyde intermédiaire du substrat SOI. Il faut alors compléter cette étape par une photolithographie et une gravure des seuls contours externes des leviers jusqu'à la couche d'oxyde intermédiaire du substrat SOI.
  • L'implantation éventuelle d'au moins une piézorésistance, disposée par exemple longitudinalement dans le corps 1 du levier, peut être effectuée avant l'étape figure 8A. Un oxyde mince est tout d'abord réalisé avant l'implantation de dopants dans le silicium. L'épaisseur de cet oxyde, la dose et l'énergie du dopage doivent être choisis pour obtenir une sensibilité maximale de la piézorésistance. Ensuite l'oxyde (figure 8A) est déposé puis ouvert par attaque chimique au niveau des contacts de la piézorésistance et un dépôt métallique est réalisé (figure 8B) par un décapage, qui prend en compte les pistes servant d'électrodes et les pistes pour les piézorésistances. Le procédé de fabrication se poursuit ensuite comme précédemment.
  • Une ou plusieurs piézorésistances implantées sur au moins certains des leviers permettent de disposer d'une ou plusieurs jauges de contrainte dont la variation de résistance permet de détecter en particulier le contact du levier avec une surface. Ceci permet notamment d'assurer un réglage de la coplanarité des leviers lors d'un dépôt collectif.
  • Eventuellement, une pellicule piézoélectrique 30, par exemple constituée d'un mélange de PbZrO3 et PbTiO3 dans un rapport 54/46 peut être déposée par pulvérisation cathodique (« sputtering »), comme décrit dans :
    • « PZT Polarization effects on off-centered PZT patch actuating silicon membranes », M. Guirardel, C. Bergaud, E. Cattan, D. Remiens, B. Belier, S. Petitgrand, A. Bosseboeuf, 16th European Conference on Solid State Transducers (EUROSENSORS XVI), Prague (Rép. Tchèque), 15-18 Septembre 2002, Pages 697-700.
  • Le dépôt peut être effectué par exemple sur la face arrière du levier, comme illustré par la figure 8F. Alternativement, il peut être effectué sur la couche d'oxyde 26 qui couvre les pistes métalliques 25 comme illustré par la figure 8G. En tout cas, l'actionneur piézoélectrique doit être isolé du liquide par une couche 32 d'oxyde ou de tout matériau permettant d'assurer une isolation efficace : PTFE dit « Téflon », polymère (PDMS, résine...). Voir à ce propos les articles suivants :
    • « Tapping mode atomic force microscopy in liquid with an insulated piezoelectric microactuator » B. Rogers, D. York, N ; Wishman, M. Jones, K. Murray, D. Adams, T. Sulchek, S. C. Minne, Review of Scientific Instruments 73, pages 3242-3244 (2002) et
    • « High-speed atomic force microscopy in liquid », T. Sulchek, R. Hsieh, S. C. Minne, C. F. Quate, D. M. Adderton, Review of Scientific Instruments 71, pages 2097-2099 (2000).
  • Alternativement, l'actionneur peut être constitué par une bilame métallique. Les figures 8H-8L montrent les différentes étapes de réalisation d'un tel dispositif. Premièrement, une couche 33 de Si3N4 est déposée par un procédé de dépôt chimique de vapeur à basse pression (LPCVD) (figure 8H) ; ensuite une couche 35 de Chrome (figure 81) et une couche 37 d'Or pour constituer la résistance chauffante (figure 8L), formant ainsi une bilame, sont déposées par évaporation thermique. Une couche de silicium polycristallin dopé peut être également utilisée comme résistance chauffante. Suivent une étape de lithographie pour définir les contours de ces éléments, le dépôt d'une couche d'oxyde isolant et réalisation des contacts électriques de la résistance de chauffage.
  • Les pistes métalliques constituent le coeur de l'invention, car elles permettent de contrôler la montée du liquide dans la fente ou rainure lors du remplissage du dispositif, et sa descente lors du dépôt par effet de champ.
  • Une première technique, dite diélectrophorèse et proposée par Jones et collaborateurs (voir document cité ci-dessus), consiste à utiliser un champ électrique alternatif pour confiner un liquide polarisable (eau par exemple) dans des zones de fort champ électrique (l'utilisation d'un champ continu est possible, mais peut induire des effets gênants, tels que l'électrolyse du liquide ou l'endommagement de biomolécules). Ce champ étant créé entre deux électrodes isolées et coplanaires, le liquide se « plaque » littéralement sur les électrodes. Un effet tout à fait similaire, mais dont l'origine physique est différente, se produit pour des liquides conducteurs. Par ailleurs, il est important de considérer qu'un liquide peut être « conducteur » ou « diélectrique » en fonction de la fréquence du champ électrique qui lui est appliqué. Si, dans l'intervalle de fréquences considéré, le liquide constitue un diélectrique, les électrodes peuvent ne pas être revêtus d'isolant. Une autre technique, connue sous le nom d'électromouillage, permet de modifier les propriétés de mouillabilité d'une surface (angle de contact entre la surface et le liquide) par l'application d'une différence de potentiel entre ladite surface et le liquide, et de contrôler ainsi les effets de capillarité. Si une différence de potentiel de quelques Volt à 10 V est appliquée entre les électrodes et une surface conductrice, l'effet de champ peut induire un dépôt sans contact. Une différence de potentiel plus élevée (au delà du kV) peut induire électronébulisation.
  • Plusieurs traitements de surface peuvent être réalisées sur les leviers pour les rendre hydrophiles ou hydrophobes afin d'optimiser le comportement du liquide déposé sur la surface.
  • Il est possible tout d'abord jouer sur les matériaux dérivés du silicium connaissant leurs propriétés : l'oxyde de silicium est ainsi utilisé comme composé hydrophile et le silicium monocristallin est utilisé comme matériau hydrophobe.
  • Cependant, le silicium ayant tendance à s'oxyder naturellement en surface (présence d'un oxyde natif), il peut être nécessaire de réaliser un traitement chimique de surface. Un tel traitement consiste par exemple en une accroche de silane hydrophobe, par exemple un silane ayant un groupement méthyl ou fluoré comme terminaison, qui est déposé sur de l'oxyde de silicium. Ce composé se dépose sur de l'oxyde de silicium sous forme de monocouches auto-assemblées et a l'avantage d'être fortement hydrophobe.
  • Inversement, les techniques de créations de charges rémanentes dans l'oxyde par technique d'implantation ou d'irradiation (par rayons X par exemple) sont envisageables pour augmenter les propriétés de mouillabilité ou d'hydrophilie de la couche de passivation (couche d'oxyde froid par exemple).
  • Dans un mode préféré de réalisation de la présente invention, la surface du dispositif est rendue fortement hydrophobe et le chargement du liquide est effectué grâce aux effets de diélectrophorèse et d'électromouillage mentionnés ci-dessus. De cette façon, le nettoyage du dispositif est facilité et le dépôt de plusieurs liquides différents sans contamination est rendu possible.
  • Un micro-robot trois axes (X, Y, Z) permet d'utiliser les microleviers selon l'invention pour les phases de remplissage et de dépôt.
  • Il s'agit, pour la phase de chargement, de plonger les microstructures dans un réservoir contenant la solution à déposer et de remplir les micro-canaux par effet de champ, éventuellement assisté par la capillarité.
  • Pour la phase de dépôt, le micro-robot permet de positionner les microstructures très précisément par rapport à une surface destinée à recevoir le dépôt. Le dépôt s'effectue alors par contact direct avec la surface ou par effet de champ sans contact. La technique de dépôt par électronébulisation (« electrospray ») est également envisageable dans la mesure où le champ appliqué est suffisamment important pour générer une nébulisation et une atomisation des biomolécules.
  • Le robot est par exemple un robot trois axes X, Y, et Z disponible dans le commerce, avec un pas de 50 nanomètres, largement compatible avec un diamètre de dépôts à réaliser de l'ordre de 10 à 20 microns. Cette précision permet un contrôle fin du contact levier-surface de dépôt, donnant ainsi une meilleure homogénéité volumique des spots réalisés. Une amélioration ultérieure du contrôle de contact est obtenue par l'utilisation d'un actionneur, par exemple piézoélectrique ou thermomécanique, intégré dans la microstructure. De plus, dans le cas d'une rangée de leviers, les actionneurs intégrés permettent de contrôler individuellement le contact de chaque dispositif avec la surface.
  • Les piézorésistances intégrées permettent de réaliser un asservissement du robot et desdits actionneurs.
  • Le déplacement selon chaque axe est assuré par un moteur pas à pas. Chaque moteur, alimenté en courant alternatif, est associé à un capteur de position linéaire permettant un asservissement de position en boucle fermée.
  • L'angle d'incidence, c'est-à-dire l'angle de contact entre le levier et la surface sur laquelle est effectué le dépôt, a une influence notable su la taille des gouttes déposées. On obtient les résultats les plus satisfaisants avec un angle proche de 60°. Il est à noter que, pendant la phase du contact, cet angle varie de 60° jusqu'à 45° pour une descente du levier après contact de 50 microns (pour la valeur de la distance de descente du levier après contact on adoptera pour la suite le terme de « profondeur de contact »). La force d'appui plus ou moins importante fait ainsi varier le volume de liquide déposé.
  • L'angle est rendu variable grâce à une pièce mobile fixée sur l'axe Z et en rotation par rapport à l'axe Y. Il est possible de contrôler cet angle directement à partir de microcontrôleurs connectés au système de pilotage.
  • Le dépôt peut être réalisé de la manière suivante, comme illustré par les figures 9A-9D.
  • La première étape (figure 9A) consiste à remplir le canal et le réservoir (lorsqu'il existe) usiné dans l'axe des leviers. Pour ce faire, le logiciel de contrôle permet de positionner les leviers au-dessus du réservoir contenant le liquide à déposer et de les immerger dans ce liquide. Un champ électrique est alors créé par application d'une tension entre les électrodes usinées sur les leviers et le liquide ; les leviers sont ensuite déplacés à l'extérieur du liquide et le robot les positionne au-dessus de l'emplacement du premier dépôt à réaliser.
  • Nous avons alors deux possibilités : soit le robot déplace les leviers contre la surface et le dépôt est réalisé par contact (figure 9B) ; soit le robot positionne les leviers au-dessus de la surface (quelques microns) pour réaliser cette fois un dépôt sans contact (figures 9C et 9D).
  • Dans le cas du dépôt par contact, le volume déposé dépend de la profondeur, de l'angle et du temps de contact. L'effet de champ aussi peut être exploité pour contrôler le volume du dépôt: une diminution du champ électrique entre les pistes conductrices augmente la quantité de liquide déposé, et vice versa. Si une rangée de leviers est utilisée, le dépôt est contrôlé individuellement pour chaque levier grâce aux actionneurs intégrés, qui agissent sur les caractéristiques du contact, et aux électrodes.
  • Dans le cas du dépôt sans contact, une différence de potentiel de quelque volt à 10 V est appliquée entre les pistes métalliques et la surface de dépôt, qui doit être conductrice, ou comporter un revêtement conducteur ; l'effet de champ (diélectrophorèse) ainsi induit aspire le liquide. Une différence de potentiel plus élevée (au delà du kV) peut induire électronébulisation.
  • Ce processus est réitéré pour chaque ensemble de points de dépôt, suivant une programmation établie par l'utilisateur et ceci tant que le nombre de points pouvant être effectués sans recharge n'est pas atteint. Si le cas se produit, le robot interrompt la tâche de dépôt et reprend celle du chargement en liquide.

Claims (26)

  1. Dispositif de dépôt de solutions biologiques comportant au moins un levier plan en silicium présentant un corps central et une région d'extrémité formant une pointe dans laquelle est ménagée une fente ou une rainure, caractérisé en ce qu'il présente au moins une piste métallique ménagée sur une face du corps central et longeant au moins partiellement une dite fente ou rainure.
  2. Dispositif selon la revendication 1, caractérisé en ce que la fente ou la rainure s'étend depuis ladite pointe jusqu'à un réservoir ménagé dans le corps central.
  3. Dispositif selon la revendication 2, caractérisé en ce que ladite ou lesdites pistes métalliques longent au moins partiellement ledit réservoir.
  4. Dispositif selon la revendication 2, caractérisé en ce que le réservoir est une cavité non débouchante ménagée à partir d'une face principale du corps central.
  5. Dispositif selon la revendication 2, caractérisé en ce que le réservoir est constitué par une ouverture débouchante ménagée entre deux faces principales opposées du corps central.
  6. Dispositif selon une des revendications précédentes, caractérisé en ce qu'une dite fente ou rainure et/ou un dit réservoir et/ou une dite piste métallique est revêtue de SiO2.
  7. Dispositif selon une des revendications précédentes, caractérisé en ce que le levier présente au moins une région hydrophobe en silicium ou bien en oxyde de silicium revêtu de silane hydrophobe.
  8. Dispositif selon une des revendications précédentes, caractérisé en ce qu'il présente au moins une piézorésistance implantée.
  9. Dispositif selon une des revendications précédentes, caractérisé en ce que le, ou chaque, levier présente au moins un actionneur intégré permettant de contrôler sa flexion.
  10. Dispositif selon la revendication 9, caractérisé en ce que ledit actionneur comporte une couche piézoélectrique déposée sur une surface dudit levier.
  11. Dispositif selon la revendication 9, caractérisé en ce que ledit actionneur comporte une bilame métallique et une résistance de chauffage déposée sur une surface dudit levier.
  12. Procédé de fabrication du dispositif selon une des revendications précédentes, caractérisé en ce qu'il met en oeuvre :
    a) au moins un dépôt d'oxyde de silicium sur une face avant d'un substrat silicium sur isolant présentant une couche isolante enterrée,
    b) la réalisation pour chaque levier d'au moins une piste métallique.
    c) au moins une attaque chimique ou gravure ionique par la face avant du substrat silicium pour définir le contour des leviers, et au moins une fente ou rainure, le contour des leviers étant défini par attaque chimique ou gravure ionique jusqu'à la couche isolante enterrée,
    d) une attaque chimique ou gravure ionique par la face arrière du substrat pour enlever y compris la couche isolante enterrée et libérer au moins un levier.
  13. Procédé selon la revendication 12, caractérisé en ce que b comporte également :
    b1) un deuxième dépôt d'oxyde sur la face avant pour isoler au moins une piste métallique.
  14. Procédé selon une des revendications 12 et 13, caractérisé en ce que c comporte une attaque chimique ou gravure ionique jusqu'à la couche isolante enterrée pour définir, outre le contour des leviers, une fente et/ou une ouverture débouchante constituant un réservoir pour au moins un levier.
  15. Procédé selon une des revendications 12 à 14, caractérisé en ce que c comporte une première attaque chimique ou gravure ionique du substrat qui est arrêtée avant la couche isolante enterrée pour définir au moins une rainure et/ou une cavité non débouchante formant un réservoir, pour au moins un levier et une deuxième attaque chimique ou gravure ionique du substrat, jusqu'à la couche isolante enterrée pour définir au moins le contour des leviers.
  16. Procédé selon une des revendications 12 à 15, caractérisé en ce qu'au cours de la première attaque chimique ou gravure ionique, le contour des leviers est défini sur une partie de leur épaisseur.
  17. Procédé selon une des revendications 12 à 16, caractérisé en ce que avant a, il est prévu une étape d'implantation d'au moins une piézorésistance.
  18. Procédé selon une des revendications 12 à 17, caractérisé en ce qu'il comporte également une étape de dépôt d'un actionneur intégré.
  19. Procédé selon la revendication 18, caractérisé en ce que ladite étape de dépôt d'un actionneur intégré comporte le dépôt par pulvérisation cathodique d'un film piézoélectrique de PbZrO3/PbTiO3.
  20. Procédé selon la revendication 19, caractérisé en ce que ledit film piézoélectrique est isolé du liquide par une couche en un matériau choisi entre : oxyde de silicium, PTFE dit « Téflon », un polymère.
  21. Procédé selon la revendication 18, caractérisé en ce que ladite étape de dépôt d'un actionneur intégré comporte le dépôt chimique à basse pression (LPCVD) d'une couche de Si3N4 suivie par un dépôt par évaporation d'une couche de Cr et d'une couche de Au pour réaliser une résistance de chauffage, formant ainsi une bilame métallique.
  22. Procédé de prélèvement d'au moins une solution biologique utilisant un dispositif selon une des revendications 1 à 11, caractérisé en ce que le prélèvement et la rétention de ladite solution biologique sont assistés par effet de champ électrique en appliquant une différence de potentiel entre les dites pistes métalliques.
  23. Procédé de dépôt d'au moins une solution biologique utilisant un dispositif selon une des revendications 1 à 11 caractérisé en ce que le dépôt de ladite solution biologique est assisté par effet de champ électrique en appliquant une différence de potentiel entre lesdites pistes métalliques, qui sont maintenues au même potentiel, et une surface de dépôt comportant au moins une couche conductrice.
  24. Procédé de prélèvement d'au moins une solution biologique utilisant un dispositif selon la revendication 8, caractérisé en ce qu'une mesure de la variation de la résistance électrique de ladite piézorésistance est effectuée après le prélèvement pour déterminer la quantité de solution biologique prélevée.
  25. Procédé de dépôt d'au moins une solution biologique utilisant un dispositif selon la revendication 8, caractérisé en ce qu'une mesure de la variation de la résistance électrique de ladite piézorésistance est effectuée après le dépôt pour déterminer la quantité de solution biologique déposée.
  26. Procédé de dépôt par contact d'au moins une solution biologique utilisant une rangée de dispositifs selon les revendications 8 et 9, caractérisé en ce que la force de contact de chaque levier avec la surface de dépôt est déterminée par une mesure de la variation de la résistance électrique de chaque piézorésistance implantée et contrôlée activement par chaque actionneur intégré.
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